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Arq. e Org. de Computadores

Gerações de Máquinas

Prof. Sergio Ribeiro

Ciência da Computação

Evolução dos ComputadoresBreve Histórico

� Geração Zero� Computadores Mecânicos (1642-1945)

� A Primeira Geração� Válvulas (1945-1955)

� A Segunda Geração� Transistores (1955-1965)

� A Terceira Geração� Circuitos Integrados (1965-1980)

� A Quarta Geração� Integração de Circuitos em Escala Muito Alta (1980-?)

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Geração ZeroComputadores Mecânicos (1642-1945)

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� 1642 - Primeiro instrumento moderno de calcular ⇒uma somadora (Máquina de Pascal) ⇒ construído por Blaise Pascal (físico, matemático e filósofo francês, 1623-1662).

Dispositivo inteiramente mecânico, usava várias engrenagens, acionado por uma alavanca.

Pascal construiu a máquina com 19 anos.

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� 1671 - Gottfried Wilhelm Leibnitz (filósofo e um dos formuladores do cálculo integral, 1646-1716) projetou a primeira máquina de multiplicação e divisão, além de soma e subtração.

Equivalente às calculadoras de bolso que efetuam as quatro operações.

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� 1822 - Charles Babbage (matemático, 1792-1871) inventa a Máquina Diferencial, utilizando os cartões de Jacquard. Funções trigonométricas e logaritmos eram calculados na máquina.

Outra invenção ⇒ Velocímetro6

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Máquina Diferencial:

� Idealizada para construir tabelas de números para navegação naval.

� Construída para executar um único algoritmo ⇒método das diferenças finitas usando polinômios.

� Método para disponibilizar informações na saída ⇒ resultados perfurados em um prato de cobre.

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� 1834 – Babbage inventou a precursora dos computadores digitais de hoje ⇒ a Máquina Analítica.

� Usava a base 10 ⇒ máquina “mecânica” ⇒trabalhava a vapor.

� Programação seqüencial de operações ⇒ um procedimento que hoje chamamos de sistema operacional.

� Por seu trabalho na máquina analítica, Babbage é considerado um dos pioneiros dos computadores.

As máquinas de Babbage nunca foram construídas…8


� Máquina Analítica ⇒ programável em linguagem de montagem simples ⇒ software.

� Ada Byron King (Matemática) ⇒ compreendeu o funcionamento da Máquina Analítica e escreveu os melhores relatos sobre o processo.

� Companheira de Babbage, iniciou o ambicioso projeto de construção daMáquina Analítica.

� Criou programas para a máquina ⇒primeira programadora de computador.É uma das poucas mulheres a figurarna história do processamento de dados.

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� A máquina de Babbage não foi construída:

� a tecnologia da época era incapaz de fornecer a precisão necessária.

� Babbage não dispunha de recursos para financiá-la, nem encontrou investidores dispostos a ir além de algumas doações.

� Seus projetos e idéias foram a basepara outros projetos anos adiante.

Em 1991, o Science Museum de Londres desenvolveu o Engenho Diferencial utilizando os planos de Babbage e funcionou perfeitamente.

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Década de 1930� Tentativas de substituir as partes mecânicas

dos computadores por partes elétricas.

� O uso de relés ⇒ uma forma de fazer essas substituições ⇒ o alto custo, tamanho físico e baixo desempenho eram as desvantagens desses tipos de máquinas.

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� Características do Mark I� 18 metros de comprimento

� 2 metros de largura

� Peso ⇒ 70 toneladas.

� 7 milhões de peças móveis

� Fiação alcançava 800 Km.

� Tinha 72 palavras de 23 dígitos decimais

� Tempo de execução de uma instrução ⇒ 6 segundos.

� 1944 - Mark I (Howard Aiken) - primeiro computador eletromecânico construído.

Construção do Mark II(Sucessor do Mark I) ⇒

Computadores a relé jáestavam obsoletos.

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Primeira GeraçãoVálvulas (1945-1955)

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• O tubo de vidro na ilustração possui um terminal positivo e um negativo (o cátodo e o ânodo) separados por uma grade de fios.

• Os elétrons do cátodo são atraídos pelo ânodo e fazem uma corrente de elétrons passar através da válvula.

• O fluxo natural dos elétrons negativos para o terminal positivo é intensificado de duas maneiras: o cátodo se aquece até a incandescência e sua superfície é tratada com um produto químico especial.

• A grade de controle está situada entre o cátodo e o ânodo e geralmente não interfere no movimento dos elétrons. Mas, quando uma carga negativa é aplicada à grade, os elétrons são repelidos e não atingem o ânodo.

• A força repulsora da grade supera a força de atração do ânodo e o fluxo de elétrons cessa. A corrente é interrompida e o interruptor desliga.

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Computadores Eletrônicos� Principal estímulo ⇒ Segunda Guerra Mundial.

Computadores Eletrônicos� Principal estímulo ⇒ Segunda Guerra Mundial.

Enigma

“O orgulho alemão”1932 ⇒ Marian Rejewski Codebreaker polonês desvenda o segredo dos rotores.

1939 ⇒ Ingleses aprendem a decodificar as mensagens. Problema ⇒ dificuldade de decodificação.

Solução ⇒ COLOSSUS15


� Colossus (Alan Turing ⇒ operacional em 1943)� Colossus (Alan Turing ⇒ operacional em 1943)

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Colossus� Considerado o primeiro computador eletrônico

digital construído no mundo.

� Características:� Desenvolvido com a tecnologia de válvulas.

� Capaz de processar cerca de 5 mil caracteres por segundo.

� Capaz de quebrar o código da segunda geração de máquinas ENIGMA.

� No final da guerra, dez Colossus em operação constante permitiam que os ingleses soubessem melhor que o comando alemão onde se encontravam seus submarinos.

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� Outra conseqüência da guerra:

� Cientistas americanos trabalham no desenvolvimento de máquinas de computação.

� Objetivo ⇒ calcular tabelas de direção de tiro para auxiliar na pontaria da artilharia americana.

� Solução ⇒ ENIAC (Eletronic Numerical Integrator And Computer)

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ENIACENIAC

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Características do ENIAC (a última grande calculadora):

� 3 anos para ser construído. Possuía:

� 18.000 válvulas (aproximadamente)

� 70.000 resistências,

� 10.000 capacitores,

� 1.500 relés

� 6.000 comutadores manuais.

� 500.000 conexões de solda

� 30 toneladas de peso

� 5,5 m de altura

� 25 m de comprimento � 150 m² de área

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Características do ENIAC (a última grande calculadora):

� Acionamento ⇒ motor equivalente a dois potentes motores de carros de quatro cilindros, enquanto um enorme ventilador refrigerava o calor produzido pelas válvulas.

� Consumo ⇒ 150 kW ao produzir o calor equivalente a 50 aquecedores domésticos.

� Arquitetura do ENIAC ⇒ composta de 20 registradores (cada um capaz de armazenar um número decimal de 10 dígitos).

� Programação ⇒ através de fios e pinos (como painel telefônico, usando 6.000 chaves).

� Executava 5000 adições/subtrações ou 300 multiplicações p/ seg

� Para programar demorava 1 ou 2 dias .

� Grande limitação ⇒ capacidade de armazenamento.21


� Conclusão do ENIAC (1946) ⇒ inútil para os propósitos originais.

� Sucessoras ⇒ EDSAC (1949), JOHNIAC, ILLIAC, MANIAC, WEIZAC.

� Outra invenção do construtores do ENIAC (Eckert e Mauchley) ⇒ EDVAC (Electronic Discret Variable Automatic Computer).

� John von Neumann ⇒ versão própria do EDVAC ⇒Máquina IAS.

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30 June 1945 ⇒

John von Neuman

(consultor do

projeto ENIAC)

� Criou o conceito de“programa armazenado”.

� Criou o conceito de operações com número binário.

� Desenvolveu a lógica dos circuitos.

� Denominação atual da máquina proposta ⇒ Máquina de Von Neumann.

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A máquina original de Von NeumannA máquina original de Von Neumann

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Características da Máquina de Von Neumann

� Aplicação ⇒ Máquina IAS (Institute of Advanced Studies –Princeton)

� Memória� 4.096 palavras de 40 bits� Cada palavra armazenava 2 instruções de 20 bits ou um número

de inteiro com sinal de 40 bits� Instrução: 8 bits ⇒ tipo da instrução, 12 bits ⇒ especificar uma

das 4096 palavras de memória.

� Unidade Aritmética Lógica � Registrador especial de 40 bits ⇒ acumulador� Não processava números reais

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IBM

� Início ⇒ produzir perfuradoras de cartão e máquinas mecânicas para separar cartões.

� IBM 701 ⇒ 2048 palavras de 36 bits, duas instruções por palavra.

� IBM 704 ⇒ 4 K de memória, instruções de 36 bits, hardware para processamento de números em ponto flutuante.

� 1958 ⇒ Produção da última máquina a válvula (IBM 709).

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� 1o computador de grande porte da IBM

� Usado na guerra da Coréia

IBM 701

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Segunda GeraçãoTransistores (1955-1965)

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� 1948 (Bell Labs.) ⇒ invenção do Transistor.

Usando elementos semicondutores, os transistores funcionam comochaves, porém são menores, mais rápidos, não esquentam, duram mais econsomem menos energia que as válvulas.

O Prêmio Nobel de 1956 foi conferido à equipe cuja pesquisa levou à invenção do transistor.

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� Transistor ⇒ passou a ser um componente básico na construção de computadores e apresentava as seguintes vantagens:� aquecimento mínimo

� baixo consumo de energia

� mais confiável e veloz do que as válvulas

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� Primeiro computador transistorizado (MIT)� TX-0 (Transistorized eXperimental computer 0 )

� DEC� PDP-1 ⇒ 4 K palavras de 8 bits e clock com período de

5 µs, preço: 120.000 dólares.� PDP-8 ⇒ máquina de 12 bits, preço: 16.000 dólares,

barramento único.

� IBM (início do domínio)� 7090, 7094 ⇒ clock com período de 2 µs, memória de

32 K palavras de 36 bits cada.� 1401 ⇒ uso comercial.

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PDP-1

Barramento Omnibus do PDP-832


Terceira GeraçãoCircuitos Integrados (1965-1980)

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� 1958 ⇒ Jack Kilby (Texas Instruments) ⇒construção do primeiro circuito integrado, contendo cinco componentes em uma peça de germânio com meia polegada de comprimento e fina como um palito de dente.

Evolução 34


� Características dos Circuitos Integrados:� transistores e outros componentes eletrônicos

miniaturizados montados em um único chip.

� maior confiabilidade ⇒ não tem partes móveis.

� muito menores ⇒ equipamento mais compacto emais rápido pela proximidade dos circuitos.

� baixo consumo de energia ⇒ miniaturização dos componentes.

� custo de fabricação muito menor.

Primeiros CIs ⇒ 10 ou 20 transistores em um chip (SSI - Small-Scale Integration). Final dos anos 60 ⇒ de 20 a 200 transistores em um chip (MSI - Medium-ScaleIntegration). Final dos anos 70 ⇒ até 5000 transistores em um chip (LSI - Large-Scale Integration). 35


Quarta GeraçãoIntegraçao de Circuitos em Escala Muito Alta

(1980 - ?)

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� Década de 1980:� VLSI ⇒Very Large Scale Integration.� Diferença significativa ⇒ microcomputadores,

minicomputadores e computadores de grande porte.� Primeiros microcomputadores ⇒ microprocessador 8080.� Apple e Apple II.� IBM entra no mercado de microcomputadores ⇒ PC da IBM

(Sistema Operacional: MS-DOS)� O primeiro computador portátil (Osborne I). � Estratégia equivocada da IBM ⇒ divulgação do projeto ⇒

surgimento de CLONES.� IBM + Microsoft ⇒ lançam o sistema operacional OS/2 ⇒

fracasso� Microsoft lança Windows (Crise da IBM).

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Apple I Apple II

Osborne IIBM PC 38


� 2002:

� Pentium 4 ⇒ construído com uma tecnologia de 0,13 micrômetros e possui 55 milhões de transistores.

� Supercomputador japonês Earth Simulator ⇒ criado pela NEC para simular mudanças no clima do planeta, possui 5104 processadores e ocupa uma área equivalente a três quadras de tênis. Seu desempenho está em torno de 35 teraflops ⇒ realiza 35,86 trilhões de cálculos por segundo.

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� 2003:� AMD lança o processador Opteron

� Opteron ⇒ primeiro processador para a arquitetura CISC capaz de trabalhar a 64 bits utilizando as instruções IA-32 (conhecidas também pelo nome x86).

� 2003:� AMD lança o processador Opteron

� Opteron ⇒ primeiro processador para a arquitetura CISC capaz de trabalhar a 64 bits utilizando as instruções IA-32 (conhecidas também pelo nome x86).

• Possui transistores de 0,13 mícron, total ⇒ 100 milhões de transistores.

• Pode endereçar até 1 TeraByte de memória RAM.

• Suporta até 8 processadores na mesma placa-mãe.

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� Tendências

� Os grandes computadores caminham para o processamento paralelo.

� O Futuro

� Computadores ópticos, nanotecnologia, computação biológica, armazenar bits no spin do átomo?

� Computador quântico.41

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